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Disque dur : principe et fonctionnement

Dossier - Le stockage des données informatiques
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Nous stockons toujours plus de données, un défi pour l’informatique. Cloud, disque dur, clé USB, carte SD : quel support choisir ? Peut-on encore faire confiance aux incontournables CD, DVD ou Blu-ray ? Quid de la mémoire flash ? Les réponses à toutes vos questions dans ce dossier spécial.

  
DossiersLe stockage des données informatiques
 

Pour stocker massivement les données, le disque dur reste un support privilégié. Malgré le déploiement des disques SSD, il est très économique et s'améliore sans cesse. Voyons ce que renferme ce petit boîtier qui crépite dans votre ordinateur.

Sur les ordinateurs actuels, trois types de disques durs peuvent être employés :

  • le disque dur classique mécanique ;
  • le disque dur SSD ;
  • le disque dur hybride mélangeant les deux.

Le premier se compose d'un ensemble de plateaux circulaires coaxiaux, recouverts d'une couche de matériau magnétique permettant l'enregistrement de données. Un disque dur ordinaire comporte un à huit plateaux tournant à plusieurs milliers de tours par minute, ses têtes de lecture-écriture se déplaçant à la surface des plateaux sur un coussin d'air d'épaisseur comprise entre 0,2 et 0,5 µm. Les plateaux et le mécanisme de lecture sont enfermés dans une coque étanche qui les isole de la poussière ambiante, car la moindre petite particule peut venir détériorer l'état de surface du disque.

Vue de l'intérieur d'un disque dur. Plusieurs plateaux (ici quatre) sont superposés. Les données sont lues ou écrites sur la surface de ces plateaux à partir des différentes têtes de lecture-écriture qui les survolent. Animés par un moteur électrique, ces plateaux tournent plusieurs milliers de fois par minute. © Western Digital

Reprenant l'essentiel des dimensions d'un disque classique, le SSD est en réalité une grosse carte dotée de puces de mémoire flash. C'est à peu près ce que l'on peut trouver sur n'importe quelle clé USB ou carte SD. Il existe un mixte de ces deux technologies avec le disque hybride.

Les phases de lecture et écriture sur un disque dur mécanique

Un ordinateur fonctionne de manière binaire ; il faut donc stocker les données sous forme de 0 et de 1. Avec un disque dur mécanique, les têtes de lecture-écriture sont dites « inductives » : elles sont capables de générer un champ magnétique positif ou négatif qui permet de polariser la surface du disque en une très petite zone. Cela se traduit, lors du passage en lecture, par des changements de polarité induisant un courant dans la tête qui sera ensuite transformé par un Convertisseur analogique-numérique (CAN) en 0 et en 1 compréhensibles par l'ordinateur.

Un disque dur se compose d'un ensemble de plateaux circulaires coaxiaux. © DR

Les données sont organisées en cercles concentriques appelés « pistes ». Les têtes commencent à inscrire des données à la périphérie du disque (piste 0), puis avancent vers le centre.

On appelle « cylindre » l'ensemble des données situées sur une même piste et sur des plateaux différents : la figure géométrique formée représente un cylindre.

On appelle « cluster » la zone minimale que peut occuper un fichier sur le disque. En effet, le système d'exploitation exploite des blocs qui sont en fait plusieurs secteurs. Avant 2010, ces derniers étaient d'une taille de 512 octets. Les constructeurs les font passer progressivement à 4.096 octets (secteurs 4K). L'augmentation permet surtout de fiabiliser la lecture des données.

Cette illustration permet de se faire une idée de la distance de survol (Fly Height, en anglais sur l'image) d’une tête de lecture-écriture d’un disque. Les éléments les plus minuscules formeraient un obstacle infranchissable : de gauche à droite, empreinte digitale (Fingerprint), poussière (Dust Particle), cheveu humain (Human Hair). C’est pour améliorer la fiabilité et corriger d’éventuelles erreurs dues aux défauts de surface d’un disque que les secteurs ont évolué à 4.096 octets au lieu de 512. © Seagate

Caractéristiques des disques

Le taux de transfert est la quantité de données qui peuvent être lues ou écrites sur le disque en un temps donné. Il s'exprime aujourd'hui en mégaoctets par seconde.

Le temps de latence (aussi appelé « délai rotationnel ») représente le temps entre le moment où le disque a trouvé la piste et celui où il trouve les données.

Le temps d'accès (en millisecondes) est le temps que l'unité de stockage met pour répondre à une requête de lecture ou d'écriture.

La mémoire cacheconserve les données auxquelles le disque accède le plus régulièrement afin d'améliorer les performances. Aujourd'hui, le minimum est de 32, 64, voire 128 Mo de mémoire cache. Le gain est assez réduit malgré une quantité de mémoire cache triplée.

La densité et le nombre de plateaux. Plus un disque est doté d'une capacité importante et plus sa densité est élevée. Les têtes de lecture vont parcourir moins de surface pour lire plus de données. Elles peuvent aussi être réparties sur plusieurs plateaux.

La capacité de stockage. Sur les ordinateurs domestiques, la capacité des disques évolue de 500 Mo à 4 To. En revanche, les SSD plafonnent en général à 512 Mo pour un prix plus important.

La vitesse de rotation. Les moteurs des disques font tourner ces derniers à plusieurs milliers de tours par minute (tpm). Les plateaux évoluent à 7.200 tpm, ou 5.400 tpm sur les ordinateurs portables.

La norme de la connectique. Aujourd'hui, la norme est le Sata. Le Sata 1 offre un débit de 192 Mo/s. Le Sata 2 a doublé ce débit théorique et la norme actuelle Sata 3 le fait passer à 768 Mo/s en théorie. Pour les disques durs haut de gamme, la norme actuelle est le SAS, qui remplace le SCSI.

Pour un disque externe, la norme est l'USB. Actuellement, l'USB 3 et 3.1 sont largement disponibles. Ils proposent un débit théorique respectif de 600 Mo/s et 1,2 Go/s. Ils sont freinés par le connecteur Sata sur lequel est branché le disque dur, ou un connecteur à la norme USB 2 sur l'ordinateur. D'autres standards existent comme le Thunderbolt, ou le FireWire ; tous restent bridés par l'interface Sata.

Les critères de rapidité d’un disque dur

Autrefois, les performances d'un disque dur étaient largement influencées par l'infrastructure de l'ordinateur et du système d'exploitation. Ainsi, si le processeur et le système fonctionnaient en 32 ou 64 bits, et que le lecteur de CD-ROM se trouvait seul sur sa prise, le Bios passait tous les lecteurs en mode 16 bits. Le taux de transfert était alors en dessous de celui annoncé par le constructeur, d'où une grande déception du possesseur...

Aujourd'hui, en plus de l'interface Sata qui limite le débit, en théorie, à 768 Mo/s, d'autres éléments interviennent sur les performances d'un disque. Un disque tournant à 5.400 tours par minute (tpm) est moins bon en temps d'accès, mais son débit reste identique pour les gros fichiers avec un disque tournant à 7.600 tpm. De même, la combinaison de la qualité du firmware, du nombre de plateaux, du temps de positionnement des têtes de lecture et de la technologie employée joue un rôle important. Une densité conséquente sur peu de plateaux permet aussi d'améliorer les performances. Retenez qu'en pratique, le temps d'accès est d'environ 10 ms. Toutefois, un disque SSD dispose d'un temps d'accès 150 fois plus rapide !

Les disques labellisés « Green »

Depuis quelques années, des disques portent la mention « Green », ou encore « EcoGreen ». Ce sont principalement des modèles destinés aux ordinateurs de bureau (3,5 pouces). Pour réduire leur consommation d’énergie, la vitesse de rotation est limitée à 5.400 tpm. Pour le coup, les performances de ces disques les destinent principalement à une utilisation bureautique.